Лекция 1 (Компьютер представляет собой)

Лекция 1.

Компьютер представляет собой универсальное устройство, которое используется для автоматической обработки информации, осуществляемой по заранее составленному плану. Такой план, обладающий необходимыми для получения требуемого результата свойствами, принято называть алгоритмом, а его запись в определенной, “понятной” компьютеру форме называется программой.
В отечественной литературе до 1985 г. в основном использовались термин электронная вычислительная машина и его аббревиатура ЭВМ, часто встречался также оборот вычислительная машина. После 1985 г. широкое распространение получил англоязычный термин “компьютер” (от computer — вычислитель). Мы будем использовать эти термины в основном как равноправные. Следует, однако, отметить, что в последнее время активно ведутся разработки компьютеров, работа которых основана на оптических, квантовых и некоторых других физических принципах. В связи с этим понятие “электронная вычислительная машина”, в котором акцентируется, что машина построена на основе электронных устройств, становится более узким, чем понятие “компьютер”.

Компьютер — это универсальное устройство, используемое для автоматизации процессов приема, хранения, обработки и передачи информации, которые осуществляются по заранее разработанным человеком программам.
Обращаем внимание на важнейшие моменты этого определения:
1) компьютер представляет собой устройство (обычно электронное);
2) компьютер выполняет действия без вмешательства человека — автоматически;
3) для этого ему должен быть заранее передан разработанный человеком и записанный в специальной форме план действий — программа;
4) это устройство является универсальным в том смысле, что оно может выполнять любую обработку информации, для которой имеется соответствующая программа.
Существует множество автоматических устройств, которые так или иначе обрабатывают информацию. Это, например, всевозможные автоматы по продаже товаров, банкоматы (банковские автоматы), телефоны-автоматы, встроенные в бытовую технику устройства управления и т. д., но в подавляющем большинстве они имеют узкую специализацию и не могут выполнить произвольно заданную программу — именно в этом их коренное отличие от компьютеров, являющихся универсальными устройствами обработки информации.
Подчеркнем, что аппаратура компьютера принципиально не может выполнять никаких действий без программы, описывающей эти действия. Аппаратура компью¬тера без программы подобна автомобилю без водителя. Но и программы сами по себе без аппаратуры не могут обработать данные, так же как водитель без автомобиля не может перевести пассажиров или груз. Таким образом, аппаратура компьютера и выполняемые программы образуют систему.
Совокупность устройств одного или нескольких компьютеров принято называть аппаратным обеспечением, или аппаратными ресурсами. Совокупность программ, которые могут быть выполнены на этих устройствах, называется программным обеспечением или программными ресурсами. Вычислительной системой называется комплекс, который включает в себя совокупность взаимодействующих в процессе обработки данных аппаратного и программного обеспечения.

Напомним, что системой называется сложная структура, состоящая из взаимодействующих компонентов, каждый из которых в отдельности не обладает свойствами, присущими системе в целом. Свойства, которые присущи системе в целом и не присущи никакому ее компоненту, называют системными свойствами. В данном случае системным свойством является способность вычислительной системы обрабатывать данные. Вычислительная система — это общее понятие. Компьютер (вместе с программами) является частным случаем вычислительной системы.

1.1. Данные и программы
Из курса информатики известно, что информация представляет собой нематериальное содержание, которое извлекается человеком из некоторого материального сообщения. И следовательно, вести речь об обработке информации каким-либо “неодушевленным” устройством в принципе невозможно. Следует говорить об обработке сообщений, которая осуществляется такими устройствами. Но в силу укоренившейся традиции устной и письменной речи существенные различия между сообщением и информацией игнорируются, и даже в учебной и научной литературе почти всегда говорят о передаче информации, обработке информации, хранении информации и т. д.
Носителем сообщения называется любая материальная среда, служащая для его хранения или передачи. Примеры носителей сообщений: бумага, воздух, электромагнитные колебания, электронные схемы, магнитные и оптические диски и т. д.
В общем случае сообщение — это последовательность зафиксированных каким-либо образом сигналов. Сигнал представляет собой изменение во времени или в пространстве материального объекта — носителя сообщения или же некоторой его характеристики, при этом сама изменяющаяся характеристика называется параметром сигнала. Важными для практического использования примерами сигналов могут служить изменения амплитуды, фазы или частоты звуковых, а также электромагнитных колебаний. При этом амплитуда, фаза или частота являются возможными параметрами сигнала.

Рис. 1.1. Непрерывный и дискретный сигналы
Сигнал называется непрерывным, или аналоговым, если множество значений его параметра бесконечно — точнее, более чем счетно. Например, звуковые и электромагнитные сигналы относятся к непрерывным, так как их параметры могут принимать любые значения из некоторого отрезка числовой оси. На рис. 1.1, слева, изображен пример непрерывного сигнала, параметр которого A может принимать любые значения из интервала E.
Сигнал называется дискретным, если его параметр может принимать лишь конечное число значений. На рис. 1.1, справа, изображен пример дискретного сигнала, параметр которого A может принимать только 10 различных значений, образующих конечное множество E. Эти значения изображены короткими горизонтальными штрихами на оси ординат. Дискретные сигналы используются в любых письменных текстах, в разнообразных устройствах — часах, информационных табло и т. д., в том числе в компьютерах. Отметим, что теоретически допускаются дискретные сигналы, имеющие счетное количество различных значений параметра, но на практике важны только сигналы с конечными наборами значений параметров.
Сообщения, основанные на непрерывных сигналах, называются непрерывными, а сообщения, основанные на дискретных сигналах, — дискретными. В то же время информация, в отличие от сообщений, не обладает ни свойством непрерывности, ни свойством дискретности.
Знаком называется элемент некоторого множества объектов, используемых для хранения или передачи дискретных сообщений. С обсуждавшейся ранее точки зрения, знак — это одно из возможных значений параметра дискретного сигнала. Знак вместе с его смыслом принято называть символом. Множество знаков, в котором определен линейный порядок, называется алфавитом. Для практических нужд человек использует множество различных алфавитов: алфавиты естественных языков, условные знаки на чертежах и топографических картах, знаки дорожного движения, нотные знаки и т. д. Для передачи или хранения сообщений иногда используются множества знаков, в которых отсутствует упорядоченность, например множество иероглифов китайского языка, набор знаков азбуки Брайля (специальной азбуки для восприятия текстов слепыми) и т. д.
Из теории кодирования информации известно, что при соблюдении некоторых условий сообщение, заданное в одном алфавите, можно без потери его смысла (без потери информации) задать в другом алфавите. Это создает возможность свести все разнообразие используемых человечеством алфавитов к одному, наиболее удобному в некотором смысле алфавиту. Теоретически и экспериментально было показано, что самым удобным и эффективным для представления сообщений в компьютерах является использование двоичных алфавитов, в которых фигурируют всего два различных знака.
Можно показать. что оптимальным является алфавит, содержащий ближайшее целое к e = 2,71828… количество знаков (e — основание натуральных логарифмов). Очевидно, что это число 3, а не 2, и следовательно, более эффективным является использование троичного алфавита. Однако технические трудности в реализации компьютера, базирующегося на троичном алфавите, оказались значительными, поэтому современные компьютеры используют для представления информации исключительно двоичный алфавит.
Примеры двоичных алфавитов: {0, 1}, {true, false}, пара напряжений {1 В, 5 В} и т. д. Отметим, что используемые в двоичном алфавите {0, 1} знаки 0 и 1 часто называют также двоичными цифрами.
Когда говорят об обработке информации с помощью компьютеров, обычно в качестве термина, эквивалентного термину “информация” (следует понимать, что речь идет о “сообщениях”), используют термин “данные”. Отметим, что план обработки данных — алгоритм — с общей точки зрения, также является сообщением, которое записано в некотором алфавите. А если этот алфавит и правила задания алгоритма воспринимаются вычислительной системой, тогда применяется термин “программа”.
Обрабатываемую информацию, записанную в “понятной” компьютеру форме, принято называть данными. План обработки данных — алгоритм, также записанный в специальной, “понятной” компьютеру форме, — принято называть программой.
Как следует из сказанного ранее, естественной, “понятной” для компьютера формой задания алгоритмов и обрабатываемых данных является их запись в двоичном алфавите {0, 1}. Переход к двоичному алфавиту в записи программ и данных принято называть двоичным кодированием. А сами программы и данные, записанные в этом алфавите, часто называют двоичным кодом. Поскольку двоичный код используется для хранения информации в компьютерах — вычислительных машинах, его называют также машинным кодом.
1.2. Понятие архитектуры компьютера
Термин “архитектура” в применении к компьютерам относительно нов. Почти до конца 70-х гг. применялись более узкие термины “устройство” или “структура” компьютера. Но, как правило, после рассмотрения собственно устройства машины следовало изучение способов представления программ и данных в компьютере, особенностей различных устройств компьютера, организации обмена данными и т. д. Впоследствии всю эту совокупность сведений объединили под одним общим названием — архитектура компьютера.
Под архитектурой компьютера понимается совокупность взаимосвязанных сведений о способах представления в компьютере программ и данных, о назначении, структуре и особенностях функционирования отдельных его устройств, а также об организации и работе компьютера в целом.
Из сказанного следует, что основными функциями компьютера являются хранение, обработка, прием и передача данных. Для выполнения каждой из этих функций в компьютере предусмотрены специальные устройства:
 память — группа устройств, которые обеспечивают хранение программ и данных;
 процессор (от process — обработка) — одно или несколько устройств, которые обеспечивают задаваемую программой обработку данных;
 устройства ввода/вывода — группа устройств, которые обеспечивают обмен, то есть прием и передачу данных между пользователем и компьютером или между двумя или более компьютерами.
Различные устройства компьютера подсоединяют друг к другу с помощью стандартизированных и унифицированных (то есть единообразных) аппаратных средств — кабелей, разъемов и т. д. При этом устройства обмениваются друг с другом информацией и управляющими сигналами, которые также приводятся к некоторым стандартным формам. Совокупность этих стандартных средств и форм образует конкретный интерфейс (от interface — взаимный вид) того или иного устройства или программы.
Интерфейсом называется совокупность унифицированных стандартных соглашений, аппаратных и программных средств, методов и правил взаимодействия устройств или программ, а также устройств или программ с пользователем.
Изучение архитектуры компьютера естественно начать с обсуждения логического строения его памяти.
1.3. Элементарные логические устройства памяти
Память компьютера имеет сложную многоуровневую структуру, реализованную в виде взаимодействующих устройств, которые могут использовать различные физические принципы для хранения данных. К этим устройствам относятся интегральные схемы, магнитные и оптические диски и т. д. Многоуровневый подход к реализации памяти вытекает из необходимости обеспечения эффективной работы компьютера при решении задач, точнее, при выполнении соответствующих им программ. Но в любом случае, при любой физической реализации памяти ее базовыми функциональными элементами являются бит и байт.
Элементарное устройство памяти компьютера, которое применяется для хранения одного из знаков двоичного алфавита, называется битом, или двоичным разрядом.
Термин “бит” произошел от английского bit, представляющего собой сокращение словосочетания BInary digiT — двоичная цифра (в некоторых источниках BInary elemenT — двоичный элемент). Способы физической реализации битов памяти в компьютерах обсуждаются в дальнейшем, а пока нас будут интересовать только возможности, точнее, функции бита.
 Бит может находиться только в одном из двух возможных устойчивых состояний, одно из которых принято считать изображением знака “0”, а другое — изображением знака “1”. Свое состояние бит сохраняет сколь угодно долго, пока оно не будет изменено принудительным способом. Следовательно, бит может хранить записанную в нем информацию.
 В любой момент времени можно узнать, в каком из двух состояний находится бит, — в состоянии “0” или в состоянии “1”; при этом текущее состояние бита останется неизменным. Другими словами, можно прочитать записанную в бит информацию (без ее потери).
 Всегда, когда в этом возникнет необходимость и вне зависимости от текущего состояния, можно перевести бит из одного состояния в другое. Иначе говоря, в бит можно записать новую информацию.
Итак, бит обеспечивает необходимую основу для реализации одной из важнейших функций компьютера — хранения данных.
Бит — это очень маленькая порция данных. Поэтому как для записи десятичных чисел используется несколько десятичных разрядов — разряд единиц, разряд десятков, сотен и т. д., так и для хранения двоичных машинных кодов используется несколько битов, совместно образующих устройство, которое принято называть ячейкой памяти. В общем случае ячейки различных компьютеров могут состоять из различного количества битов. Однако это создает значительные сложности для организации обмена данными между разными моделями компьютеров. Поэтому, начиная с машин третьего поколения, стандартными являются ячейки, состоящие из восьми битов.
Самостоятельный элемент памяти компьютера, состоящий из восьми битов, называется байтом.
Слово “байт” произошло от английского термина byte, представляющего собой сокращение словосочетания BinarY TErm — двоичный терм, двоичное выражение. Байт сохраняет все перечисленные выше свойства бита — он может хранить записанную в него информацию, ее можно прочитать, можно также записать в байт любую новую информацию.
Более подробно обсудим, что представляет собой содержимое байта. Каждый из восьми битов байта может содержать любую из двоичных цифр независимо от остальных. Следовательно, байт может содержать произвольную комбинацию, последовательность из восьми нулей или единиц, например последовательность 10110011. Такую последовательность называют также двоичным числом, или двоичным кодом. Количество различных кодов, различных комбинаций из восьми нулей и единиц, записываемых в один байт, равно 28 = 256..
Запись находящегося в байте двоичного кода можно спутать с аналогичным по записи десятичным числом. Например, двоичный код 10110011 можно рассматривать и как “обычное” число “десять миллионов сто десять тысяч одиннадцать”. В тех случаях, когда есть опасность спутать десятичное число и двоичный код, справа от двоичного кода записывают нижний индекс 2, а справа от десятичного числа указывают индекс 10. Таким образом, 101100112 — двоичный код, а 1011001110 — десятичное число. Для удобства восприятия десятичные числа в текстах на русском языке принято делить на группы по три цифры в каждой и отделять эти группы друг от друга пробелом — 10 110 01110. По аналогии с этим двоичные коды иногда также группируют, но по четыре цифры в группе — 1011 00112.
Все байты одной из важнейших разновидностей памяти — оперативной — пронумерованы целыми числами. При этом номером начального байта всегда считается ноль. С помощью номера легко отличить один байт от другого, в любой момент можно “открыть” байт с нужным номером и посмотреть, какой код в нем находится, либо заменить его любым другим.
Байты, в отличие от отдельных битов, из которых они состоят, являются самостоятельными элементами памяти компьютера, так как именно с байтом в целом, а не с отдельным битом производятся такие операции, как запись и чтение.
Условно бит изображают в виде небольшого прямоугольника, содержащего либо цифру 0, либо цифру 1 (рис. 1.2, а), а байт рисуют в виде расположенных рядом восьми одинаковых прямоугольников, каждый из которых содержит какую-либо двоичную цифру. Биты, входящие в байт, принято нумеровать справа налево, начиная с нуля, — так, как показано на рис. 1.2, б.
Во многих случаях для записи некоторой неделимой порции информации, например для записи кода какого-либо числа восьми разрядов, одного байта не хватает. Тогда несколько соседних, смежных байтов объединяются в структуру, которую принято называть полем. Соседними считаются байты, номера которых образуют арифметическую прогрессию n, n + 1, n + 2, …, n + k. При этом значение выражения k + 1 считается длиной поля памяти.


Рис. 1.2. Условные изображения: а — бита; б — байта
Группа смежных байтов памяти, которая используется для записи неделимой порции информации или для каких-либо других целей, называется полем памяти. Количество байтов, из которых состоит поле, называется длиной поля памяти.
Как следует из определения, в общем случае в полях памяти могут находиться и логически не связанные между собой данные.


Рис. 1.3. Нумерация разрядов в поле памяти
Когда байты памяти рассматриваются отдельно друг от друга, нумерация битов в каждом из них производится независимым образом, как показано на рис. 1.2, б. Если же байты входят в поле, то применяется сквозная нумерация битов по всему полю. На рис. 1.3 приведен пример нумерации битов поля длиной четыре байта. Высокие линии отмечают границы отдельных байтов, входящих в поле.
1.4. Объем памяти
Важнейшей характеристикой любых устройств памяти компьютера является объем. Объем памяти равен количеству байтов, из которых она состоит. Заметим, что объем памяти, который измеряется в байтах, не имеет ничего общего с физической величиной “объем тела”, которая измеряется в литрах, кубических сантиметрах, кубических метрах и т. д. Это величина не кубической, а линейной природы. Она аналогична длине тела, измеряемой в сантиметрах, метрах и т. д. Впрочем, термин “объем” используется, когда говорят о памяти устройства в целом. Ранее установлено, что когда речь идет о характеристике некоторого участка (например, поля памяти), также используется термин “длина”. Следовательно, объем памяти и длина участка памяти представляют собой одну и ту же характеристику — количество байт, из которых состоит обсуждаемый объект. В дальнейшем изложении эти термины используются как эквивалентные.
Байт является основной единицей измерения объема памяти. Вместе с тем байт как единица измерения представляет собой слишком маленькую величину. Поэтому для указания объемов памяти используется целый ряд кратных единиц, которые образуются с помощью так называемой двоичной тысячи, двоичная тысяча равной 210 = 1024.
Первая кратная единица называется килобайт (Кбайт, произносится “кабайт”): 1 Кбайт = 1024 байт. Собственно говоря, называть эту единицу килобайтом не совсем правильно, так как килобайт должен быть равным 1000 байт, а не 1024. Но обычно этой небольшой разницей пренебрегают. Следующая кратная единица — мегабайт (Мбайт): 1 Мбайт = 1024 Кбайт = 1 048 576 байт. Далее следуют гигабайт (Гбайт, около миллиарда байт) и терабайт (Тбайт, около триллиона байт). Можно упомянуть и еще более крупные единицы: петабайт (Пбайт), эксабайт (Эбайт), зетабайт (Збайт) и йоттабайт (Йбайт). Для наглядности значения кратных единиц сведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1. Кратные единицы объема памяти
Единица Значение Метрический аналог
1 Кбайт 1024 байт (210) 1000 (103)
1 Мбайт 1024 Кбайт = 1 048 576 байт (220) 1 000 000 (106)
1 Гбайт 1024 Мбайт = 1 073 741 824 байт (230) 109
1 Тбайт 1024 Гбайт = 1 099 511 697 776 байт (240) 1012
1 Пбайт 1024 Тбайт = 125 899 978 522 624 байт (250) 1015
1 Эбайт 1024 Пбайт = 1 152 921 504 606 846 976 байт (260) 1018
1 Збайт 1024 Эбайт = 1 180 591 620 717 411 303 424 байт (270) 1021
1 Йбайт 1024 Збайт = 1 208 925 819 614 629 174 706 176 байт (280) 1024










Вопросы к лекции 1.
1. Что называется компьютером? (стр. 1)
2. Чем отличается электронно - вычислительная машина от компьютера? (стр. 1)
3. Понятие аппаратного обеспечения. Понятие программного обеспечения. (стр. 2)
Привести определение вычислительной системы.
4. Чем отличается сообщение от информации? (стр. 2)
5. Что называется носителем сообщения и, что может использоваться в качестве носителя сообщений? (стр. 2)
6. Что представляет собой сообщение? (стр. 3)
7. Что такое сигнал? Приведите примеры сигналов и их возможные параметры. Чем отличается непрерывный (аналоговый) сигнал от дискретного (цифрового)? (стр. 3)
8. Что понимается под терминами «данные» и «программа»? (стр. 4)
9. В каком коде записываются данные и программы в компьютере? (стр. 5) Что представляет собой этот код? (стр. 4).
10. Что представляет собой машинный код? (стр. 5)
11. Дайте определение понятия «архитектура компьютера» и на базе этого
определения назовите основные функции компьютера. Какие устройства служат для выполнения этих функций? Охарактеризуйте их назначение. (стр. 5)
12. Что называется интерфейсом? (стр. 5 -6)
13. Что представляет собой бит? Перечислите основные его функции. Привести условное изображения бита. (стр. 6- 8)
14. Что собой представляет собой байт? Перечислите его основные функции. Сколько различных комбинаций из нулей и единиц можно записать в один байт? Привести условное изображение байта. (стр. 7, 8)
15. Бит или байт является ячейкой оперативной памяти компьютера? (стр. 9). Как нумеруются ячейки памяти компьютера? Привести условное изображение разрядов в поле памяти (стр. 8) Сколько различных кодов можно записать с помощью одного байта? (стр. 7)
16. Что такое поле? Как определяется длина поля? Как нумеруются байты в поле? (стр. 8)
17. Определение объема памяти (стр. 9). Дайте определение единиц измерения объема памяти (стр. 9). Заполнить таблицу кратных единиц объема памяти. (стр.9-10)